本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種毫米波通信多波束調(diào)度方法，具體涉及一種基于分組的毫米波通信多波束調(diào)度方法，可用于多用戶(hù)數(shù)據(jù)傳輸。

背景技術(shù)：

毫米波(millimeterwave)是指頻段在30ghz到300ghz范圍之間的電磁波，具有波長(zhǎng)短、頻帶寬和方向性好等優(yōu)勢(shì)，毫米波通信是指一種利用毫米波頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信方式。毫米波通信可以和大規(guī)模多輸入多輸出技術(shù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)波束成形，利用陣列天線在不同的空間位置產(chǎn)生高增益的多個(gè)波束，毫米波通信波束間低干擾特性意味著網(wǎng)絡(luò)具有很大的空間復(fù)用潛力，能夠有效提升系統(tǒng)頻譜效率。

在用戶(hù)數(shù)及波束個(gè)數(shù)通常大于射頻鏈路個(gè)數(shù)的毫米波通信系統(tǒng)中，發(fā)送端需要高效的波束調(diào)度策略來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即在生成的波束中選擇可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)系統(tǒng)頻譜效率性能的波束，并將其分配給對(duì)應(yīng)的用戶(hù)。目前，毫米波通信系統(tǒng)在進(jìn)行多波束調(diào)度過(guò)程中，主要是利用每個(gè)用戶(hù)反饋的最優(yōu)波束的信干噪比及其對(duì)應(yīng)的波束序號(hào)進(jìn)行波束和用戶(hù)的選擇，以降低用戶(hù)反饋開(kāi)銷(xiāo)。例如，2016年5月作者girimkwon和hyuncheolpark在ieeeinternationalconferenceoncommunications上發(fā)表的論文“ajointschedulingandmillimeterwavehybridbeamformingsystemwithpartialsideinformation”中，公開(kāi)了一種毫米波通信中的聯(lián)合多波束調(diào)度方法。通過(guò)將空間上相距等間隔的波束劃分為一個(gè)子集的方式，保證了波束之間被調(diào)度的公平性，發(fā)送端依據(jù)每個(gè)用戶(hù)反饋的最優(yōu)波束的信干噪比及其對(duì)應(yīng)的波束子集序號(hào)和波束序號(hào)，選擇使頻譜效率最優(yōu)的波束子集中波束及其對(duì)應(yīng)的用戶(hù)。該方法雖然可以降低波束間干擾，在用戶(hù)總數(shù)很大的時(shí)候，調(diào)度的波束個(gè)數(shù)及用戶(hù)個(gè)數(shù)會(huì)趨近于射頻鏈路個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了多用戶(hù)分集增益，但仍存在以下不足：(1)在固定的波束子集之間進(jìn)行選擇，限制了波束組合的多樣性，降低了系統(tǒng)頻譜效率；(2)用戶(hù)總數(shù)較少時(shí)，調(diào)度的波束個(gè)數(shù)會(huì)明顯小于射頻鏈路個(gè)數(shù)，造成系統(tǒng)硬件資源利用不充分。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出了一種基于分組的毫米波通信多波束調(diào)度方法，以提高毫米波通信系統(tǒng)頻譜效率，充分利用系統(tǒng)硬件資源。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)思路是：發(fā)送端生成波束，得到波束集合，對(duì)波束集合中每個(gè)波束進(jìn)行分組，然后將訓(xùn)練信號(hào)發(fā)送至用戶(hù)，根據(jù)所有用戶(hù)反饋的最大的信干噪比和最大的信干噪比對(duì)應(yīng)的波束序號(hào)進(jìn)行波束調(diào)度和用戶(hù)選擇。調(diào)度過(guò)程中依據(jù)一個(gè)波束只支持一個(gè)用戶(hù)和一個(gè)用戶(hù)只能選擇一個(gè)波束的原則，當(dāng)已選擇的波束個(gè)數(shù)小于射頻鏈路個(gè)數(shù)的時(shí)候，允許調(diào)度相同波束組中的波束；當(dāng)調(diào)度的波束個(gè)數(shù)等于射頻鏈路個(gè)數(shù)的時(shí)候，避免調(diào)度相同波束組中信干噪比低的波束，以降低波束之間的干擾，提高系統(tǒng)頻譜效率。

根據(jù)上述技術(shù)思路，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括如下步驟：

(1)發(fā)送端生成n個(gè)波束，得到波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}，其中，f(n)表示第n個(gè)波束，n為波束總數(shù)；

(2)發(fā)送端對(duì)波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}進(jìn)行分組：發(fā)送端按照相鄰的個(gè)波束分為一組的方法，依次對(duì)波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的每個(gè)波束進(jìn)行分組，得到波束組集合其中，表示對(duì)式n/nrf的結(jié)果向下取整，nrf為射頻鏈路個(gè)數(shù)，rf代表射頻，表示第nrf個(gè)波束組；

(3)假設(shè)毫米波通信系統(tǒng)的用戶(hù)總數(shù)為u，發(fā)送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的各波束，將訓(xùn)練信號(hào)發(fā)送至u個(gè)用戶(hù)；

(4)u個(gè)用戶(hù)中的每個(gè)用戶(hù)利用接收到的訓(xùn)練信號(hào)，計(jì)算波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中每個(gè)波束的信干噪比，并將最大的信干噪比和最大的信干噪比對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束序號(hào)反饋至發(fā)送端；

(5)發(fā)送端依據(jù)u個(gè)用戶(hù)反饋的最大的信干噪比和最優(yōu)波束序號(hào)，對(duì)波束組集合中的各波束進(jìn)行調(diào)度：

(5a)發(fā)送端設(shè)置用戶(hù)序號(hào)k、已選用戶(hù)集合和已選波束集合并對(duì)其進(jìn)行初始化，令k＝1，其中，表示空集；

(5b)發(fā)送端判斷已選波束集合中的波束個(gè)數(shù)是否小于發(fā)送端射頻鏈路個(gè)數(shù)nrf，若是，執(zhí)行步驟(5c)；否則，執(zhí)行步驟(5f)；

(5c)發(fā)送端判斷已選波束集合中是否存在第k個(gè)用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)nk對(duì)應(yīng)的波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的波束f(nk)，若是，執(zhí)行步驟(5d)；否則，執(zhí)行步驟(5e)，其中，1≤nk≤n；

(5d)發(fā)送端在已選用戶(hù)集合中找出用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)與nk相等的第k′個(gè)用戶(hù)，并判斷第k個(gè)用戶(hù)的信干噪比是否大于第k′個(gè)用戶(hù)的信干噪比，若是，在已選用戶(hù)集合中，加入第k個(gè)用戶(hù)，同時(shí)刪除第k′個(gè)用戶(hù)，并執(zhí)行步驟(5j)；否則，執(zhí)行步驟(5j)；

(5e)發(fā)送端將第k個(gè)用戶(hù)加入到已選用戶(hù)集合中，同時(shí)將波束f(nk)加入到已選波束集合中，并執(zhí)行步驟(5j)；

(5f)發(fā)送端判斷已選波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，執(zhí)行步驟(5d)，否則，執(zhí)行步驟(5g)；

(5g)發(fā)送端判斷波束f(nk)是否與已選波束集合中的任意一個(gè)波束在相同波束組中，若是，執(zhí)行步驟(5h)；否則，執(zhí)行步驟(5i)；

(5h)發(fā)送端在已選用戶(hù)集合中找出用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的波束與波束f(nk)在相同波束組中的第個(gè)用戶(hù)，并判斷第k個(gè)用戶(hù)的信干噪比是否大于第個(gè)用戶(hù)的信干噪比，若是，在已選用戶(hù)集合中，加入第k個(gè)用戶(hù)，刪除第個(gè)用戶(hù)，同時(shí)在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個(gè)用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的波束，并執(zhí)行步驟(5j)；否則，執(zhí)行步驟(5j)；

(5i)發(fā)送端比較已選用戶(hù)集合中各用戶(hù)的信干噪比，找出信干噪比最小的第個(gè)用戶(hù)，并判斷第k個(gè)用戶(hù)的信干噪比是否大于第個(gè)用戶(hù)的信干噪比，若是，在已選用戶(hù)集合中，加入第k個(gè)用戶(hù)，刪除第個(gè)用戶(hù)，同時(shí)在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個(gè)用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的波束；否則，執(zhí)行步驟(5j)；

(5j)發(fā)送端判斷用戶(hù)序號(hào)k是否小于用戶(hù)總數(shù)u，若是，令k＝k+1，并執(zhí)行步驟(5b)；否則，將已選用戶(hù)集中的用戶(hù)作為服務(wù)用戶(hù)，并將已選波束集中的波束作為服務(wù)波束。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明由于在實(shí)現(xiàn)對(duì)波束組集合中的各波束進(jìn)行調(diào)度的時(shí)候，首先對(duì)波束集合中每個(gè)波束進(jìn)行分組，得到波束組集合，避免調(diào)度相同波束組中信干噪比較低的波束，從而使得最終選擇的波束在空間位置上存在較大間隔，進(jìn)一步降低了波束間干擾，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在保證多波束調(diào)度方法執(zhí)行效率的同時(shí)，有效地提高了系統(tǒng)頻譜效率。

2.本發(fā)明由于在已選波束集合中的波束個(gè)數(shù)小于射頻鏈路個(gè)數(shù)的時(shí)候，允許調(diào)度相同波束組中的波束，放寬了選擇波束和用戶(hù)的限定條件，與現(xiàn)有技術(shù)相比，充分利用了系統(tǒng)硬件資源。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖2為本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)頻譜效率性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

參照?qǐng)D1，基于分組的毫米波通信多波束調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟1，發(fā)送端生成n個(gè)波束，得到波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}，其中，f(n)表示第n個(gè)波束，n為波束總數(shù)；

發(fā)送端生成n個(gè)波束的生成方式為：發(fā)送端構(gòu)造dft矩陣

其第p行第q列上的元素值為f(p,q)，并令獲得n個(gè)波束，其中，j表示(-1)^1/2，q＝1,…,n，p＝1,…,m，m代表發(fā)送端總的天線數(shù)，表示dft矩陣的第n列；

步驟2，發(fā)送端對(duì)波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}進(jìn)行分組：發(fā)送端按照相鄰的個(gè)波束分為一組的方法，依次對(duì)波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的每個(gè)波束進(jìn)行分組，得到波束組集合其中，表示對(duì)式n/nrf的結(jié)果向下取整，nrf為射頻鏈路個(gè)數(shù)，rf代表射頻，表示第nrf個(gè)波束組；

步驟3，假設(shè)毫米波通信系統(tǒng)中的用戶(hù)總數(shù)為u，發(fā)送端利用波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的各波束，將訓(xùn)練信號(hào)發(fā)送至u個(gè)用戶(hù)；

步驟4，u個(gè)用戶(hù)中的每個(gè)用戶(hù)利用接收到的訓(xùn)練信號(hào)，計(jì)算波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中每個(gè)波束的信干噪比，并將最大的信干噪比和最大的信干噪比對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束序號(hào)反饋至發(fā)送端；

每個(gè)波束的信干噪比、最大的信干噪比和最大的信干噪比對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束序號(hào)的計(jì)算公式分別為：

其中，sinrn表示第n個(gè)波束的信干噪比，psignal(n)表示第n個(gè)波束的信號(hào)功率，signal表示信號(hào)，pnoise(n)表示第n個(gè)波束的噪聲功率，noise表示噪聲，pinterference(n)表示第n個(gè)波束的干擾功率，interference表示干擾，n∈{1,2,…,n}，γ表示最大的信干噪比，η表示最大的信干噪比對(duì)應(yīng)的最優(yōu)波束序號(hào)，max表示取最大值，argmax表示取最大值對(duì)應(yīng)的自變量；

步驟5，發(fā)送端依據(jù)u個(gè)用戶(hù)反饋的最大的信干噪比和最優(yōu)波束序號(hào)，對(duì)波束組集合中的各波束進(jìn)行調(diào)度：

步驟5a，發(fā)送端設(shè)置用戶(hù)序號(hào)k、已選用戶(hù)集合和已選波束集合并對(duì)其進(jìn)行初始化，令k＝1，其中，表示空集；

步驟5b，發(fā)送端判斷已選波束集合中的波束個(gè)數(shù)是否小于發(fā)送端射頻鏈路個(gè)數(shù)nrf，若是，執(zhí)行步驟5c；否則，執(zhí)行步驟5f；

步驟5c，發(fā)送端判斷已選波束集合中是否存在第k個(gè)用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)nk對(duì)應(yīng)的波束集合{f(1),f(2),…,f(n)}中的波束f(nk)，波束f(nk)所在的波束組的序號(hào)為若是，執(zhí)行步驟5d；否則，執(zhí)行步驟5e，其中，1≤nk≤n，表示對(duì)式nk/nrf的結(jié)果向上取整；

步驟5d，發(fā)送端在已選用戶(hù)集合中找出用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)與nk相等的第k′個(gè)用戶(hù)，第k′個(gè)用戶(hù)為之前加入到已選用戶(hù)集合中的用戶(hù)，并判斷第k個(gè)用戶(hù)的信干噪比是否大于第k′個(gè)用戶(hù)的信干噪比，若是，在已選用戶(hù)集合中，加入第k個(gè)用戶(hù)，同時(shí)刪除第k′個(gè)用戶(hù)，并執(zhí)行步驟5j；否則，執(zhí)行步驟5j；

步驟5e，發(fā)送端將第k個(gè)用戶(hù)加入到已選用戶(hù)集合中，同時(shí)將波束f(nk)加入到已選波束集合中，并執(zhí)行步驟5j；

步驟5f，發(fā)送端判斷已選波束集合中是否存在波束f(nk)，若是，執(zhí)行步驟5d，否則，執(zhí)行步驟5g；

步驟5g，發(fā)送端判斷波束f(nk)是否與已選波束集合中的任意一個(gè)波束在相同波束組中，若是，執(zhí)行步驟5h；否則，執(zhí)行步驟5i；

步驟5h，發(fā)送端在已選用戶(hù)集合中找出用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的波束與波束f(nk)在相同波束組中的第個(gè)用戶(hù)，第個(gè)用戶(hù)為之前加入到已選用戶(hù)集合中的用戶(hù)，并判斷第k個(gè)用戶(hù)的信干噪比是否大于第個(gè)用戶(hù)的信干噪比，若是，在已選用戶(hù)集合中，加入第k個(gè)用戶(hù)，刪除第個(gè)用戶(hù)，同時(shí)在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個(gè)用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的波束，并執(zhí)行步驟5j；否則，執(zhí)行步驟5j；

步驟5i，發(fā)送端比較已選用戶(hù)集合中各用戶(hù)的信干噪比，找出信干噪比最小的第個(gè)用戶(hù)，第個(gè)用戶(hù)為之前加入到已選用戶(hù)集合中的用戶(hù)，并判斷第k個(gè)用戶(hù)的信干噪比是否大于第個(gè)用戶(hù)的信干噪比，若是，在已選用戶(hù)集合中，加入第k個(gè)用戶(hù)，刪除第個(gè)用戶(hù)，同時(shí)在已選波束集合中，加入波束f(nk)，刪除第個(gè)用戶(hù)的最優(yōu)波束序號(hào)對(duì)應(yīng)的波束；否則，執(zhí)行步驟5j；

步驟5j，發(fā)送端判斷用戶(hù)序號(hào)k是否小于用戶(hù)總數(shù)u，若是，令k＝k+1，執(zhí)行步驟5b；否則，將已選用戶(hù)集中的用戶(hù)作為服務(wù)用戶(hù)，并將已選波束集中的波束作為服務(wù)波束。

以下結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明。

1.仿真條件和內(nèi)容：

本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)是在intel(r)core(tm)i3-3110mcpu@2.40ghz，32位windows7系統(tǒng)下，matlabr2014a運(yùn)行平臺(tái)上完成的；仿真中發(fā)送端采用ula天線陣列，天線數(shù)為64，波束總數(shù)為64，射頻鏈路個(gè)數(shù)為16，用戶(hù)的天線數(shù)均為1，系統(tǒng)信噪比為5db，毫米波信道模型采用廣泛應(yīng)用的salehvalenzuela信道模型，多徑個(gè)數(shù)為3；對(duì)本發(fā)明和聯(lián)合多波束調(diào)度方法的系統(tǒng)頻譜效率性能進(jìn)行了仿真，其結(jié)果如圖2所示。

2.仿真結(jié)果分析：

參照?qǐng)D2，是本發(fā)明與聯(lián)合多波束調(diào)度方法的系統(tǒng)頻譜效率性能對(duì)比圖，橫坐標(biāo)是用戶(hù)數(shù)，縱坐標(biāo)是頻譜效率，單位是bps/hz。從圖中我們可以看出，用戶(hù)數(shù)從10增長(zhǎng)到150的時(shí)候，本發(fā)明的系統(tǒng)頻譜效率從22bps/hz增長(zhǎng)到50bps/hz，聯(lián)合多波束調(diào)度方法的系統(tǒng)頻譜效率從15bps/hz增長(zhǎng)到40bps/hz，在不同用戶(hù)數(shù)的情況下，本發(fā)明方法性均明顯優(yōu)于聯(lián)合多波束調(diào)度方法。

對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)以上的技術(shù)方案和構(gòu)思，做出各種相應(yīng)的改變和變形，而所有的這些改變和變形都應(yīng)該包括在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。